一种用于金属材料微纳米裂纹的超声检测方法

1.本发明属于金属材料的微观检测技术领域，具体地说，涉及一种用于金属材料微纳米裂纹的超声检测方法。


背景技术：

2.金属材料广泛应用于航天航空、军事器械及智能制造等众多领域，对于金属材料的微观缺陷检测一直是研究热点。金属材料在循环载荷施加下，会发生循环滑移并形成极不均匀的循环滑移带，这些循环滑移带通常集中分布于某些局部薄弱区域，经过长时间的循环应力下，在这些循环滑移带区域很容易萌生微裂纹。裂纹以细小的微观短裂纹形式开始，并随着加载次数的增加而逐渐增加。微裂纹将导致材料灾难性地失效，几乎没有预警，微裂纹的存在促使金属材料会因瞬间超载而发生脆性折断，以及先因部分地区产生破坏开裂，然后逐渐扩大其他破坏的区域，最终使整个金属的截面被折断。
3.目前，现有的金属材料微纳米裂纹的检测方法主要包括：涡流检测方法、孔探检测方法、磁粉检测方法、射线检测方法和渗透检测方法；上述方法存在以下问题：
4.涡流检测方法只适用于导体，并且只能检测金属材料的表面和近表面缺陷；
5.孔探检测方法的过程极其复杂，其判断准确性受孔探设备本身性能、孔探人员自身素质等多种因素的影响；
6.磁粉检测方法只适用于铁磁性材料，只能发现金属材料表面和近表面的缺陷；
7.射线检测方法对体积型缺陷比较敏感，但对面积型缺陷不敏感，容易漏检、误检；
8.渗透检测方法对埋藏缺陷或闭合型的表面缺陷无法检出；
9.因此，现有的检测方法均无法实现对金属材料微纳米裂纹进行检测，且检测精准度低。


技术实现要素：

10.为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种用于金属材料微纳米裂纹的超声检测方法，该方法包括：
11.超声阵列中的每个阵元沿着各自的信号传输通道向待测金属材料的检测区域内的目标同时发射初始脉冲信号；其中，所述初始脉冲信号为线性调频信号；所述目标为金属材料产生的微纳米裂纹；
12.针对该目标，会产生由多个线性调频信号组成的一组反射信号；
13.超声阵列中的每个阵元接收经该目标反射回的一组反射信号；
14.基于时间反转镜方法(time-reversing mirror)，对反射回的该组反射信号进行时间反转处理，得到一组时间反转信号；
15.超声阵列中的每个阵元沿着各自相同的信号传输通道，向该目标反向发射对应的一组时间反转信号，使得反向发射的一组时间反转信号在同一时刻在对应的目标处聚焦，获取该组时间反转信号在当前时刻的峰值；
16.根据该峰值，获得该目标的位置坐标，从而完成对金属材料微纳米裂纹的检测。
17.作为上述技术方案的改进之一，所述方法还包括：当存在多个强弱不同的目标时，实现对最强目标的超声检测。
18.作为上述技术方案的改进之一，所述当存在多个强弱不同的目标时，实现对最强目标的超声检测，其具体过程为：
19.对每个目标采用上述检测方法，得到对应的一组反射信号；
20.超声阵列中的阵元接收经每个目标反射回的一组反射信号；
21.对每个目标反射回的一组反射信号进行时间反转处理，得到对应的一组时间反转信号；
22.超声阵列中的阵元沿着各自相同的信号传输通道，向每个目标反向发射对应的一组时间反转信号，此时，较弱目标接收的经时间反转处理后的一组时间反转信号将削弱，而较强目标接收的经时间反转处理后的一组时间反转信号将保持不变，经过不断的接收-反转-反向发射的迭代，将在最强目标处聚焦，获取该组时间反转信号在当前时刻的峰值；
23.根据该峰值，获得该最强目标的位置坐标，从而完成对最强目标的超声检测。
24.作为上述技术方案的改进之一，所述超声阵列中的每个阵元沿着各自的信号传输通道向待测金属材料的检测区域内的目标依次发射初始脉冲信号；其具体过程为：
25.声阵列中的第i个阵元沿着对应的信号传输通道向待测金属材料的检测区域内的目标发射线性调频信号，其时域表达式为；
[0026][0027]
其中，f0表示第i个阵元发射的线性调频信号的中心频率；ki表示第i个阵元发射的线性调频信号的调频斜率；其中，b表示第i个阵元发射的线性调频信号的频谱带宽；ti表示第i个阵元发射的线性调频信号的脉冲宽度；表示矩形窗函数；
[0028]
线性调频信号的瞬时频率为：
[0029]
f(t)＝f0 kit
ꢀꢀꢀ
(2)
[0030]
其中，线性调频信号的瞬时频率是一个关于t的线性函数；
[0031]
因此，频谱带宽为bi＝f(t)-f(0)＝kiti；
[0032]
则线性调频信号si(t)经过匹配滤波器后的输出信号s
0i
(t)为:
[0033][0034]
其中，gi(t)为当第i个阵元发射的线性调频信号为一个实信号时，对应的匹配滤波器的脉冲响应；bi表示第i个阵元发射的线性调频信号的频谱带宽。
[0035]
作为上述技术方案的改进之一，所述对该组反射信号进行时间反转处理，得到一组时间反转信号；其具体过程为：
[0036]
假设待测金属材料的检测区域内的目标为产生的金属材料微纳米裂纹，使用具有大时间频宽积的线性调频信号si(t)作为激励信号,向金属材料微纳米发射线性调频信号，
作为初始脉冲信号，此时，裂纹处接收该线性调频信号，并产生对应的回波信号y
crack
(t)为：
[0037][0038]
其中，ci()表示第i个阵元的传输信道响应；di表示第i个阵元与裂纹间的距离；v表示介质中的声速；*表示卷积；
[0039]
超声阵列中的每个阵元接收一组反射信号，该组反射信号包括多个回波信号y
crack
(t)；
[0040]
此时由于传输介质的不均匀性，各回波信号间存在时间延迟t和相位差φ，且t和φ均不为0：
[0041]
φ＝φj(t)-φ
j-1
(t)≠0
ꢀꢀꢀ
(7)
[0042]
t＝t
j-t
j-1
≠0
ꢀꢀꢀ
(8)
[0043]
其中，φj(t)表示第j个阵元接收的回波信号的相位；φ
j-1
(t)为表示第j-1个阵元接收的回波信号的相位；tj表示第j个阵元接收的回波信号的回波到达时间；t
j-1
表示第j-1个阵元接收的回波信号的回波到达时间；
[0044]
对相位进行补偿，补偿回波相位差φ，各个回波信号经时间反转后，得到多个时间反转后的信号y
tr_crack
(t)：
[0045][0046]
形成一组时间反转信号，并在同一时间再次发射。
[0047]
本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0048]
1、在超声检测的声束控制方面，采用了时间反转镜方法(time-reversing mirror)，摆脱了对先验知识的需求，对时延与相差进行补偿，实现非均匀材料中自适应聚焦，突破了传统超声检测的应用瓶颈，大大提高了检测效率和准确率；
[0049]
2、在超声检测的信号设置方面，采用了线性调频信号作为初始脉冲信号，兼顾了信号的轴向分辨率、输入能量和信号比，解决了以往超声检测用的窄脉冲激励信号探测距离及分辨率无法满足的难题；
[0050]
3、在超声检测微纳米裂纹方面，所提出的方法能够实现非均匀材料微纳米裂纹检测，补全了现有检测方法中对于金属材料微纳米缺陷探测的技术和理论空白。
附图说明
[0051]
图1是本发明的一种用于金属材料微纳米裂纹的超声检测方法的流程图；
[0052]
图2是本发明的一种用于金属材料微纳米裂纹的超声检测方法的获取一组时间反转信号的原理图；
[0053]
图3是本发明的一种用于金属材料微纳米裂纹的超声检测方法的获取一组时间反转信号的另一个原理图。
具体实施方式
[0054]
现结合附图对本发明作进一步的描述。
[0055]
本发明提供了一种用于金属材料微纳米裂纹的超声检测方法，该方法通过时间反转镜方法(time-reversing mirror)与线性调频信号相结合，无需先验知识来对声波进行自适应聚焦，实现声波在非均匀介质中的自适应聚焦，即用线性调频信号作为激励信号，用时间反转镜技术实现声波自适应聚焦，从而完成对金属材料中微纳米裂纹的精准探测。
[0056]
如图1所示，该方法包括：
[0057]
超声阵列中的每个阵元沿着各自的信号传输通道向待测金属材料的检测区域内的目标同时发射初始脉冲信号；其中，所述初始脉冲信号为线性调频信号；所述目标为金属材料产生的微纳米裂纹；
[0058]
具体地，声阵列中的第i个阵元沿着对应的信号传输通道向待测金属材料的检测区域内的目标发射线性调频信号，其时域表达式为；
[0059][0060]
其中，f0表示第i个阵元发射的线性调频信号的中心频率；ki表示第i个阵元发射的线性调频信号的调频斜率；其中，b表示第i个阵元发射的线性调频信号的频谱带宽；ti表示第i个阵元发射的线性调频信号的脉冲宽度；表示矩形窗函数；
[0061]
线性调频信号的瞬时频率为：
[0062]
f(t)＝f0 kit
ꢀꢀꢀ
(2)
[0063]
其中，线性调频信号的瞬时频率是一个关于t的线性函数；
[0064]
因此，频谱带宽为bi＝f(t)-f(0)＝kiti；
[0065]
则线性调频信号si(t)经过匹配滤波器后的输出信号s
0i
(t)为:
[0066][0067]
其中，gi(t)为当第i个阵元发射的线性调频信号为一个实信号时，对应的匹配滤波器的脉冲响应；其时域表达式为：
[0068]gi
(t)＝s
i*
(-t)
ꢀꢀꢀ
(4)
[0069]bi
表示第i个阵元发射的线性调频信号的频谱带宽；
[0070]
上式(3)中输出信号的包络信号可写为：
[0071][0072]
其中，sa()为sint与t之比构成的函数，即抽样信号；
[0073]
针对该目标，会产生由多个线性调频信号组成的一组反射信号；
[0074]
超声阵列中的每个阵元接收经该目标反射回的一组反射信号；
[0075]
基于时间反转镜方法，对反射回的该组反射信号进行时间反转处理，得到一组时间反转信号；
[0076]
超声阵列中的每个阵元沿着各自相同的信号传输通道，向该目标反向发射对应的
一组时间反转信号，使得反向发射的一组时间反转信号在同一时刻在对应的目标处聚焦，获取该组时间反转信号在当前时刻的峰值；
[0077]
根据该峰值，获得该目标的位置坐标，从而完成对金属材料微纳米裂纹的检测。
[0078]
具体地，如图2和3所示，假设待测金属材料的检测区域内的目标为产生的金属材料微纳米裂纹，使用具有大时间频宽积的线性调频信号si(t)作为激励信号,向金属材料微纳米发射线性调频信号，作为初始脉冲信号，此时，裂纹处接收该线性调频信号，并产生对应的回波信号y
crack
(t)为：
[0079][0080]
其中，ci()表示第i个阵元的传输信道响应；di表示第i个阵元与裂纹间的距离；v表示介质中的声速；*表示卷积；
[0081]
超声阵列中的每个阵元接收一组反射信号，该组反射信号包括多个回波信号y
crack
(t)；
[0082]
此时由于传输介质的不均匀性，各回波信号间存在时间延迟t和相位差φ，且t和φ均不为0：
[0083]
φ＝φj(t)-φ
j-1
(t)≠0
ꢀꢀꢀ
(7)
[0084]
t＝t
j-t
j-1
≠0
ꢀꢀꢀ
(8)
[0085]
其中，φj(t)表示第j个阵元接收的回波信号的相位；φ
j-1
(t)为表示第j-1个阵元接收的回波信号的相位；tj表示第j个阵元接收的回波信号的回波到达时间；t
j-1
表示第j-1个阵元接收的回波信号的回波到达时间；
[0086]
对每个回波信号y
crack
(t)进行时间反转ts，得到反转后的信号，此时，该反转后的信号间的相位φ1和时间延迟t1均为0：
[0087]
φ1＝φ
j1
(t)-φ
j-11
(t)＝0
ꢀꢀꢀ
(9)
[0088]
t1＝t
j1-t
j-11
＝0
ꢀꢀꢀ
(10)
[0089]
其中，φ
j1
(t)表示第j个阵元接收的回波信号进行时间反转后的信号的相位；φ
j-11
(t)为表示第j-1个阵元接收的回波信号进行时间反转后的信号的相位；t
j1
表示第j个阵元接收的回波信号进行时间反转后的信号的回波到达时间；t
j-11
表示第j-1个阵元接收的回波信号进行时间反转后的信号的回波到达时间；
[0090]
由于先接收到的信号后发射，后接收到的信号先发射，因此，需要对相位进行补偿，补偿回波相位差φ，各个回波信号经时间反转后，得到多个时间反转后的信号y
tr_crack
(t)：
[0091][0092]
形成一组时间反转信号，并在同一时间再次发射；
[0093]
在裂纹处再次接收到下一个信号：
[0094]
y'
tr_crack
(t)＝＝si(t-ts)*ci(t-ts)*ci(t)
ꢀꢀꢀ
(12)
[0095]
进一步的，裂纹处接收的该下一个信号通过匹配滤波器的处理，得到处理后的信号y'
tr_crack1
(t)，并将其作为裂纹处接收的信号：
[0096]
y'
tr_crack1
(t)＝[si(t-ts)*si(t)]*[ci(t-ts)*ci(t)]
ꢀꢀꢀ
(13)
[0097]
若阵列中存在m个阵列单元，对每个阵列单元在裂纹处的接收信号y'
tr_crack1
(t)进行叠加，可得到整个阵列在裂纹处的叠加信号y'
sum_crack
(t)为：
[0098][0099]
该叠加信号y'
sum_crack
(t)为反向发射的一组时间反转信号在同一时刻在对应的目标处聚焦，获取该叠加信号y'
sum_crack
(t)的峰值，作为该组时间反转信号在当前时刻的峰值；
[0100]
其中，时间反转信号在裂纹处进行叠加，就实现了在裂纹处聚焦，进而获得当前时刻的峰值，根据峰值信息，进而获得裂纹的位置信息。
[0101]
根据该峰值，获得该裂纹的位置坐标，从而完成对金属材料微纳米裂纹的检测在式(14)中叠加信号不存在距离参数d，可以看成是两个自相关函数的卷积结果，一个是信道响应，另一个是激励信号。在检测系统中，传输信道响应是保持不变的，那么可通过线性调频信号的脉冲宽度和频谱带宽的独立调控来满足超声检测需求和超声检测系统。在保持发射信号峰值功率不变的情况下，脉冲宽度的增加可以提高平均发射功率，经过匹配滤波器处理后的压缩回波信号能够获得较高的轴向分辨率和信噪比，提高超声检测中对缺陷位置与尺寸的检测精度，达到微纳米裂纹检测的应用需求。
[0102]
所述方法还包括：当存在多个强弱不同的目标时，实现对最强目标的超声检测。
[0103]
具体检测过程为：
[0104]
对每个目标采用上述检测方法，得到对应的一组反射信号；
[0105]
超声阵列中的阵元接收经每个目标反射回的一组反射信号；
[0106]
对每个目标反射回的一组反射信号进行时间反转处理，得到对应的一组时间反转信号；
[0107]
超声阵列中的阵元沿着各自相同的信号传输通道，向每个目标反向发射对应的一组时间反转信号，此时，较弱目标接收的经时间反转处理后的一组时间反转信号将削弱，而较强目标接收的经时间反转处理后的一组时间反转信号将保持不变，经过不断的接收-反转-反向发射的迭代，将在最强目标处聚焦，获取该组时间反转信号在当前时刻的峰值；
[0108]
根据该峰值，获得该最强目标的位置坐标，从而完成对最强目标的超声检测。
[0109]
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种用于金属材料微纳米裂纹的超声检测方法，该方法包括：超声阵列中的每个阵元沿着各自的信号传输通道向待测金属材料的检测区域内的目标同时发射初始脉冲信号；其中，所述初始脉冲信号为线性调频信号；所述目标为金属材料产生的微纳米裂纹；针对该目标，会产生由多个线性调频信号组成的一组反射信号；超声阵列中的每个阵元接收经该目标反射回的一组反射信号；基于时间反转镜方法，对反射回的该组反射信号进行时间反转处理，得到一组时间反转信号；超声阵列中的每个阵元沿着各自相同的信号传输通道，向该目标反向发射对应的一组时间反转信号，使得反向发射的一组时间反转信号在同一时刻在对应的目标处聚焦，获取该组时间反转信号在当前时刻的峰值；根据该峰值，获得该目标的位置坐标，从而完成对金属材料微纳米裂纹的检测。2.根据权利要求1所述的用于金属材料微纳米裂纹的超声检测方法，其特征在于，所述方法还包括：当存在多个强弱不同的目标时，实现对最强目标的超声检测。3.根据权利要求2所述的用于金属材料微纳米裂纹的超声检测方法，其特征在于，所述当存在多个强弱不同的目标时，实现对最强目标的超声检测，其具体过程为：对每个目标采用上述检测方法，得到对应的一组反射信号；超声阵列中的阵元接收经每个目标反射回的一组反射信号；对每个目标反射回的一组反射信号进行时间反转处理，得到对应的一组时间反转信号；超声阵列中的阵元沿着各自相同的信号传输通道，向每个目标反向发射对应的一组时间反转信号，此时，较弱目标接收的经时间反转处理后的一组时间反转信号将削弱，而较强目标接收的经时间反转处理后的一组时间反转信号将保持不变，经过不断的接收-反转-反向发射的迭代，将在最强目标处聚焦，获取该组时间反转信号在当前时刻的峰值；根据该峰值，获得该最强目标的位置坐标，从而完成对最强目标的超声检测。4.根据权利要求1所述的用于金属材料微纳米裂纹的超声检测方法，其特征在于，所述超声阵列中的每个阵元沿着各自的信号传输通道向待测金属材料的检测区域内的目标依次发射初始脉冲信号；其具体过程为：声阵列中的第i个阵元沿着对应的信号传输通道向待测金属材料的检测区域内的目标发射线性调频信号，其时域表达式为；其中，f0表示第i个阵元发射的线性调频信号的中心频率；k
i
表示第i个阵元发射的线性调频信号的调频斜率；其中，b表示第i个阵元发射的线性调频信号的频谱带宽；t
i
表示第i个阵元发射的线性调频信号的脉冲宽度；表示矩形窗函数；线性调频信号的瞬时频率为：
f(t)＝f0 k
i
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，线性调频信号的瞬时频率是一个关于t的线性函数；因此，频谱带宽为b
i
＝f(t)-f(0)＝k
i
t
i
；则线性调频信号s
i
(t)经过匹配滤波器后的输出信号s
0i
(t)为:其中，g
i
(t)为当第i个阵元发射的线性调频信号为一个实信号时，对应的匹配滤波器的脉冲响应；b
i
表示第i个阵元发射的线性调频信号的频谱带宽。5.根据权利要求1所述的用于金属材料微纳米裂纹的超声检测方法，其特征在于，所述对该组反射信号进行时间反转处理，得到一组时间反转信号；其具体过程为：假设待测金属材料的检测区域内的目标为产生的金属材料微纳米裂纹，使用具有大时间频宽积的线性调频信号s
i
(t)作为激励信号,向金属材料微纳米发射线性调频信号，作为初始脉冲信号，此时，裂纹处接收该线性调频信号，并产生对应的回波信号y
crack
(t)为：其中，c
i
()表示第i个阵元的传输信道响应；d
i
表示第i个阵元与裂纹间的距离；v表示介质中的声速；*表示卷积；超声阵列中的每个阵元接收一组反射信号，该组反射信号包括多个回波信号y
crack
(t)；此时由于传输介质的不均匀性，各回波信号间存在时间延迟t和相位差φ，且t和φ均不为0：φ＝φ
j
(t)-φ
j-1
(t)≠0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)t＝t
j-t
j-1
≠0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)其中，φ
j
(t)表示第j个阵元接收的回波信号的相位；φ
j-1
(t)为表示第j-1个阵元接收的回波信号的相位；t
j
表示第j个阵元接收的回波信号的回波到达时间；t
j-1
表示第j-1个阵元接收的回波信号的回波到达时间；对相位进行补偿，补偿回波相位差φ，各个回波信号经时间反转后，得到多个时间反转后的信号y
tr_crack
(t)：形成一组时间反转信号，并在同一时间再次发射。

技术总结
本发明属于金属材料的微观检测技术领域，具体地说，涉及一种用于金属材料微纳米裂纹的超声检测方法，包括：超声阵列中的每个阵元沿着各自的信号传输通道向待测金属材料的检测区域内的目标同时发射初始脉冲信号；针对该目标，会产生由多个线性调频信号组成的一组反射信号；超声阵列中的每个阵元接收经该目标反射回的一组反射信号；基于时间反转镜方法，对反射回的该组反射信号进行时间反转处理，得到一组时间反转信号；超声阵列中的每个阵元沿着各自相同的信号传输通道，向该目标反向发射对应的一组时间反转信号，获取该组时间反转信号在当前时刻的峰值；根据该峰值，获得该目标的位置坐标，从而完成对金属材料微纳米裂纹的检测。测。测。


技术研发人员：张晗 林振源 杨军 程晓斌
受保护的技术使用者：中国科学院声学研究所
技术研发日：2021.07.01
技术公布日：2022/5/25